煤礦乳化液水處理及自動配比控制系統(tǒng)
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【摘要】本文針對傳統(tǒng)的乳化液人工配比并且用光折射計判斷乳化液濃度高低的方式中存在的配比精度低、效率低下、乳化液穩(wěn)定性差等問題，研發(fā)一種通過“PLC+計量泵”自動完成乳化液配比的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PLC進行運算和邏輯控制，采用電磁式計量泵控制投加時間及單次投加量實現(xiàn)定量投加，操作員僅需輸入目標濃度即可完成自動配比，能夠實現(xiàn)一鍵啟停。通過這種方式進行乳化液的配比，可實現(xiàn)投入少量成本即可高效獲得高精度的乳化液配比濃度，方便快捷。
【關鍵詞】乳化液配比；PLC；自動化；高精度；計量泵
根據(jù)隆德煤礦業(yè)主提供資料及調查發(fā)現(xiàn)，目前我國95%以上的礦山工作面使用液壓支護設備，以保證采煤面的不塌陷。乳化液是煤礦液壓支架和液壓支柱的傳動介質，在液壓系統(tǒng)中起血液作用，并且在鋁金屬及其合金的加工行業(yè)中，乳化液的應用也是極其廣泛的，能夠起到防腐保護、潤滑的作用。乳化液通過水和乳化油配比而成，濃度要求3%~5%，乳化液配比濃度受很多因素的影響，包括水壓、水質、流量、配比裝置準確度等。傳統(tǒng)的乳化液配比方式采用人工投加水和乳化油的方式，判斷乳化液濃度采用光折射計判斷濃度高低，該種配比方式存在配比精度不高，效率低等問題。為提高煤礦設備自動化程度，提高配比精度及效率，研制一套乳化液自動配比裝置實現(xiàn)乳化液配比具有一定的必要性與經濟性。
1與當前國內外同類研究、技術比較
現(xiàn)有的乳化液配比主要通過兩種方式完成。第一種是人工完成配比，人工定量添加水和乳化油完成配比，配比濃度靠取樣用光折射計人工觀察，其精度不高，效率低，受人為因素影響較大；第二種通過“PLC+變頻器+計量泵”完成配比，該方式通過PLC作為控制中心，變頻器調速完成乳化液配比，該方式精度較高，效率高，但花費成本也高。本文提出的應用于乳化液自動配比的“PLC+計量泵”控制系統(tǒng)具有效率高、精度高、成本低并且能夠實現(xiàn)一鍵啟停，自動化程度較高。以上方法具體對比如表1所示。
2主要研究內容
2.1系統(tǒng)總體結構
該基于PLC控制的乳化液自動配比系統(tǒng)設備布置圖如圖1所示。該系統(tǒng)包括液位計①②③三支，濃度計④一支，計量泵⑤⑥兩臺以及攪拌器⑦一臺，其中水位濃度及①安裝于水容器正上方用于監(jiān)控水的液位狀態(tài)；乳化液液位計②安裝于乳化液封閉容器的蓋子底部用于監(jiān)控乳化液液位狀態(tài)；乳化油液位計安裝于乳化油容器的正上方用于監(jiān)控乳化油的液位狀態(tài)；濃度計④固定安裝于乳化液容器壁上，并且濃度計④距離乳化液容器底部約2cm，以便在乳化液到達下限位置時仍能正常顯示乳化液濃度信息；電磁計量泵1⑤與水容器和乳化液容器通過不銹鋼管連接，以便及時自動根據(jù)控制命令從水容器定量向乳化液容器投加水；電磁計量泵2⑥與乳化油容器和乳化液容器也通過不銹鋼管連接，以便及時自動根據(jù)控制命令從乳化油容器定量向乳化液容器投加乳化油，從而完成配比乳化液所需水和乳化油的定量投加；水和乳化液均被投加至乳化液容器內時，系統(tǒng)自動啟動攪拌器⑦完成使乳化液均勻混合的關鍵的步驟。以上設備布置均可以根據(jù)實際使用需要進行相應的調整。該基于PLC控制的乳化液自動配比系統(tǒng)設備布置到位后，所有設備均需連接至該系統(tǒng)控制核心PLCⅪ，系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。系統(tǒng)中所有傳感器水位液位計Ⅰ、乳化液液位計Ⅱ、乳化油液位計Ⅲ、濃度計Ⅳ均通過RVVP電纜連接至PLCⅪ模擬量輸入模塊，PLCⅪ數(shù)字量輸出模塊與電磁計量泵Ⅴ、電磁計量泵Ⅵ、攪拌器Ⅶ通過RVV線纜連接。操作員通過上位機Ⅻ輸入設定濃度和乳化液需求量，并且可通過上位機Ⅻ查看液位、濃度等狀態(tài)，傳感器獲取的液位濃度信號輸入至PLC，PLC經過內部邏輯處理后，輸出信號使中間繼電器Ⅷ動作，中間繼電器Ⅷ的觸點Ⅸ閉合，從而使得接觸器Ⅹ動作，接觸器Ⅹ的觸點閉合，即使得電磁計量泵Ⅴ動作，電磁計量泵Ⅵ和攪拌器Ⅶ的動作原理與電磁計量泵Ⅴ一致。系統(tǒng)流程圖即控制方法如圖3所示。操作員通過上位機Ⅻ設定乳化液配比濃度和需求量，PLCⅪ獲取濃度和需求量信息后，即可計算出水和乳化油的需求量，計算完成后PLCⅪ輸出打開電磁計量泵Ⅴ、電磁計量泵Ⅵ進行水和乳化油的定量投加，由于計量泵單次投加量固定，所以通過PLCⅪ分別計算電磁計量泵Ⅴ、電磁計量泵Ⅵ的打開時間，通過時間控制水和乳化油的定量投加控制，若在投加過程中水位液位計Ⅰ、乳化油液位計Ⅲ達到液位下限時，投加停止上位機提示添加溶液，第一次定量投加完成后，通過濃度計Ⅳ獲取乳化液濃度，與設定濃度進行比較，若實際濃度大于設定濃度，則再次打開電磁計量泵Ⅴ加水，若實際濃度小于設定濃度，則再次打開電磁計量泵Ⅵ加乳化油，直到實際濃度與設定濃度差不超過0.3%，且乳化液濃度在3%~5%范圍內，配比流程停止。系統(tǒng)控制計量泵定量投加方法：電磁計量泵可以通過面板設定沖程和頻率，沖程表示單次投加的量，頻率表示投加的快慢程度，該方法通過電磁計量泵面板設定好沖程和頻率，即可確定每秒計量泵投加的量，以“水投加速度V1”和“乳化液投加速度V2”表示；操作員通過上位機Ⅻ設定好所需乳化液濃度和容量，PLC通過計算得出配比所需水和乳化油的量，分別以“水量L1”和“乳化油量L2”表示。即可通過以上數(shù)據(jù)計算出加水時間T1和加乳化油時間T2，有T1=L1/V1和T2=L2/V1。實例說明：假設操作員設定配比乳化液濃度為4%，需要量為10升，則通過計算需添加0.4升乳化油和9.6升水，電磁計量泵Ⅴ、電磁計量泵Ⅵ的沖程分別設定為0.2毫升和4.6毫升，頻率均為2Hz（即1s投加2次），通過計算即可得出V1=0.4毫升/秒，V2=9.6毫升/秒，PLC控制電磁計量泵Ⅴ、電磁計量泵Ⅵ的通電投加時間為T1=400/0.4=1000秒，T2=9600/9.6=1000秒。該方法中T1可以不等于T2。
2.2系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
（1）乳化液全自動配比該系統(tǒng)僅需操作員在上位機輸入所需乳化液的濃度和體積，PLC即可自動完成相應的所需水和乳化油量的計算，并且自動控制計量泵定量定時投加水和乳化油，以及控制攪拌器完成乳化液的配比，整個過程實現(xiàn)全自動化配比，無須人工干預。若操作員需要對配比濃度進行微調，上位機可提供操作接口進行相應的操作。（2）低液位保護為了更好地保證乳化液配比濃度，避免計量泵空轉，系統(tǒng)通過PLC程序設定水和乳化油的下限液位，當液位計獲取的液位值小于或等于下限時，系統(tǒng)停止配比，并關閉計量泵和攪拌器。（3）實時查看配比過程及結果該系統(tǒng)上位機軟件直觀反映乳化液配比系統(tǒng)的組成，并且通過液位計和濃度計獲取液位和濃度信息顯示在上位機軟件界面，實現(xiàn)配比過程的實時更新，操作員能夠實時查看配比過程及結果。
3乳化液配比關鍵技術
3.1PLC控制技術
系統(tǒng)采用PLC作為控制核心，通過收集油、水、乳化液液位和濃度，自動計算指定用量和濃度的乳化液配比所需的乳化油和水的用量，并通過控制計量泵的工作時間以達到添加定量的水和乳化油。
3.2網(wǎng)絡傳輸技術
乳化液配比系統(tǒng)位于煤礦井下，為了減少工人下井次數(shù)以及實現(xiàn)配比的遠程全自動化操作，通過網(wǎng)絡傳輸技術將乳化液配比的濃度、液位、溫度等信息傳輸至集控中心。
3.3計量泵投加技術
計量泵為無級調速抽水泵，可根據(jù)需要調整計量泵的流量和開啟時間，從而控制用量，通過PLC控制計量泵投加時間，可控制水和乳化油的投加量。
3.4傳感器控制技術
系統(tǒng)采用液位、濃度傳感器采集水、乳化油、乳化液的液位和濃度并傳輸至PLC，給PLC完成計算所需的基本變量，從而能夠使PL更精確、更快速地完成配比。
4總結
該煤礦井下乳化液自動配比裝置與傳統(tǒng)的配制方法相比能夠大幅度節(jié)約成本，并且在有高配比精度的同時還可以應用在其它乳化液配比過程中具有很高的通用性。系統(tǒng)配比的適合濃度的乳化液用于礦井支護設備，還可以提高支護設備的使用壽命以及提高支護設備運行效率，從而避免因支護設備的老化而產生的安全問題，該裝置的研究及應用在煤礦行業(yè)具有很大的應用前景。
參考文獻
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作者：黃春犁 胡美玲 單位：華電鄭州機械設計研究院有限公司
